4. NB-IoT协议栈与终端协议分层

NB-IoT终端从“上电驻网”到“把一条上行数据发出去”，并不是单一模块在工作，而是六层协议各司其职、逐层封装与逐层解封装的过程。理解协议栈的关键，不是背下六个缩写，而是搞清楚三件事：每一层在终端里负责什么、数据在层与层之间以什么形态传递、控制面信令与用户面数据分别走哪条路径。本节围绕这三点展开，并给出可直接对照的层间数据流关系。

一、终端协议栈的分层定位

NB-IoT终端协议栈自下而上分为物理层（PHY）、媒体接入控制层（MAC）、无线链路控制层（RLC）、分组数据汇聚协议层（PDCP）、无线资源控制层（RRC）和非接入层（NAS）。前五层属于接入层（AS），由基站（eNB）与终端对等交互；NAS属于非接入层，终端与核心网MME对等交互，基站只做透传。这是理解整个协议栈最重要的一条分界线。

从功能划分看：PHY负责把比特映射到NB-IoT的物理信道并完成调制解调、编码解码、同步与测量；MAC负责逻辑信道到传输信道的映射、调度请求、随机接入过程、HARQ重传与DRX；RLC负责分段与重组、ARQ重传，保证按序交付；PDCP负责头压缩、加密与完整性保护、按序递交；RRC负责连接建立与释放、无线承载配置、测量控制、系统消息读取；NAS负责附着、鉴权、EPS承载管理、TAU与PDN连接等与核心网相关的会话管理。

二、控制面与用户面的两条数据流

NB-IoT终端的数据流分为控制面和用户面。控制面承载RRC信令与NAS信令，路径为：NAS → RRC → PDCP → RLC → MAC → PHY，对端在基站侧逐层解封装后，NAS消息被透传给MME。用户面承载业务数据，路径为：应用数据 → IP → PDCP → RLC → MAC → PHY，对端在基站侧解到PDCP后经S1-U送往SGW/PGW。两条路径在PDCP以下共用同一套底层承载，区别在于PDCP之上是RRC还是IP。

以一次典型的上行数据发送为例：终端应用产生一个UDP包，先经IP层封装，进入PDCP后完成头压缩与加密，形成PDCP PDU；RLC根据MAC指示的传输块大小对PDCP PDU做分段，加上RLC头；MAC把RLC PDU复用进传输块，按调度授权选择MCS与重复次数，交给PHY；PHY完成CRC添加、信道编码、速率匹配、加扰、调制，映射到NPUSCH上发送。接收侧则完全反向：PHY解调译码 → MAC HARQ合并 → RLC重组与ARQ → PDCP解密解压缩 → IP层还原。整个过程体现了“逐层加头、逐层去头”的封装思想。

三、各层在终端中的关键动作与参数

PHY层在NB-IoT中承担了最重的“适配”工作。终端需要完成小区搜索与同步，读取NPSS/NSSS获得时频偏，再解NPBCH获取MIB，随后在锚点载波上读取SIB1-NB。上行使用SC-FDMA，子载波间隔分为15 kHz和3.75 kHz两种，前者用于常规覆盖，后者用于扩展覆盖。以15 kHz、单音（1 tone）为例，NPUSCH的传输块较小，一次调度可能只承载几十比特，因此RLC分段与MAC复用必须严格匹配调度授权。

MAC层在终端侧的核心动作包括：随机接入过程（发送NPRACH前导）、调度请求、HARQ进程管理、逻辑信道优先级处理以及DRX配置。NB-IoT的HARQ采用异步自适应方式，上行重传由DCI中的NDI指示新数据或重传。MAC还负责把RRC信令、NAS信令和用户数据映射到不同的逻辑信道，再复用到UL-SCH传输信道。

RLC层在NB-IoT中通常配置为UM（非确认模式）或AM（确认模式）。对于控制面信令，多采用AM以保证可靠交付；对于时延敏感或允许丢包的业务，可采用UM。RLC PDU的大小由MAC在每个TTI给出的传输块大小决定，因此RLC必须支持动态分段。PDCP层则负责对用户面数据做ROHC头压缩，对控制面做完整性保护，加密算法由RRC在安全激活后配置，常见为128-NEA1/128-NEA2。

RRC层是终端与基站之间的“控制中枢”。它负责广播系统消息的读取、RRC连接建立（含竞争解决）、无线承载配置、测量配置与上报、连接释放。NB-IoT为省电引入了RRC空闲态下的eDRX和PSM，RRC连接态下则通过DRX和C-DRX降低监听开销。NAS层位于RRC之上，终端通过NAS消息完成附着请求、鉴权响应、安全模式命令、PDN连接建立、TAU等流程，这些消息被封装在RRC消息中透传，基站不解析其内容。

四、一次上行发送的层间协作示例

假设终端已建立RRC连接并激活安全，应用要发送一个20字节的CoAP报文。IP层封装后约48字节，PDCP压缩UDP/IP头后可能降到约30字节，加上PDCP头形成PDCP PDU。MAC根据当前调度授权给出传输块大小为72比特（示例值），RLC据此把PDCP PDU分成两段，分别加上RLC头。MAC把两段RLC PDU复用进一个传输块，选择MCS并指示重复次数，交给PHY。PHY完成CRC、Turbo编码、速率匹配、加扰和π/2-BPSK调制，映射到NPUSCH发送。基站收到后逐层解封装，若CRC校验失败，MAC触发HARQ重传；若RLC AM检测到丢失，则触发ARQ重传。终端通过监听NPDCCH获取重传授权，完成整个闭环。

五、分层带来的工程意义

理解协议分层，对终端开发与部署有直接价值。做功耗优化时，要关注MAC的DRX/eDRX与RRC的PSM配置；做吞吐优化时，要关注RLC分段效率、PDCP头压缩比与MAC调度授权大小；做覆盖增强时，要关注PHY的重复次数与MAC的HARQ合并策略；做信令排障时，要区分是RRC连接问题还是NAS附着问题。每一层的参数调整都会影响上下层的行为，因此协议栈不是孤立的知识点，而是终端行为分析的坐标系。

把六层协议放在一条数据流上看，终端的行为就变得可解释：每一次发送都是自上而下的封装，每一次接收都是自下而上的解封装；控制面与用户面在PDCP处分叉，在PHY处汇合。掌握这条主线，后续的功耗、覆盖、吞吐与排障分析才有统一的落点。